Диссипативных структур

Теорию диссипативных структур можно считать современным развитием термодинамики – её эффективным обобщением на широкие классы систем, которые устойчиво существуют и поступательно развиваются вдали от термодинамического равновесия благодаря постоянному обмену веществом со своим окружением. Такие системы традиционно называют открытыми, хотя это не совсем корректно, ибо помимо открытости в смысле обмена веществ системы могут быть открытыми для энергообмена и для обмена информацией. Вещественный обмен при этом может отсутствовать. Но в конце ХХ века сама теория диссипативных структур всё более ориентируется на то, чтобы изучать системы, одновременно открытые и по веществу, и по энергии, и по информации. Подобно термодинамике ХIХ в., теория диссипативных структур «расслаивается» на феноменологическую, изучающую макроскопическое поведение своих объектов, и на статистическую, изучающую их поведение на микроскопическом уровне дискретных структурных единиц. Как и в ХIХ в., концепции феноменологического уровня направляют формирование концепций микроскопического уровня глубины. Но если к концу ХIХ в. кинетическая теория тепла вполне сложилась, то к началу ХХI в. микроскопическая теория диссипативных структур далека от этого. Она поднимает и ставит по-новому наиболее фундаментальные и открытые проблемы современной физики. В частности, проблему природы времени и его органической неотделимости от природы физических процессов.

Феноменологическая теория диссипативных структур конструктивно преодолевает слабости классической термодинамики, которая ограничивала себя изучением линейных процессов в замкнутых системах. В отличие от популяризаторов ХIХ в., многие специалисты и тогда отчётливо понимали эту ограниченность, видя её причину в недостаточном разнообразии используемых понятий и математических методов анализа. Однако реальное обогащение и обновление понятийного аппарата термодинамики произошло только в первой половине ХХ в. на базе теории нелинейных динамических систем. Пионером в этом деле явился И. Пригожин, с именем которого связываются первые эпохальные открытия теории диссипативных структур. Важнейшим её открытием стало доказательное объяснение того, как и почему второй закон термодинамики имеет ограниченную область действия – только для си- стем, которые не обмениваются веществом со своим окружением. Благодаря же обмену веществ и, в частности, пополнению химическими реагентами извне диссипативные структуры могут не только устойчиво существовать вдали от термодинамического равновесия, но и поступательно наращивать свою организованную сложность.

Особенно важную роль в теории диссипативных структур играют кооперативные механизмы усиления флуктуаций. Кинетическая теория тепла в ХIХ в. показала, что вблизи термодинамического равновесия флуктуации – местные и кратковременные отклонения параметров от средних значений – хотя и постоянно возникают, но обречены на быстрое исчезновение ¹. Однако вдали от термодинамического равновесия, в условиях постоянного обмена веществом между системой и её окружением флуктуации могут усиливаться, стремительно разрастаться и превращаться в новое, более организованное макроскопическое состояние всей системы.

____________________

¹ Так, в комнате со средней температурой воздуха +20^О С постоянно «мерцают» небольшие участки с бо́льшими и меньшими температурами. Это в некотором роде похоже на зеркально гладкую поверхность озера под редким дождём, когда каждая капля порождает местное и кратковременное отклонение поверхности воды от среднего уровня. Но при полном штиле сила тяготения на поверхности воды уравновешивается силами поверхностного натяжения, и поэтому в целом поверхность озера остаётся в термодинамическом равновесии. Эта аналогия достаточно продуктивна для формирования интуитивно ясного стереотипа понятия «флуктуация», но и достаточно условна, ибо флуктуации в системах порождаются спонтанно, т. е. их внутренней динамикой, а не превносятся извне, как в случае дождя над озером.

 

 

Илл. 28.На рисунках показана типичная картина диссипативного процесса, в котором безраздельно господствует второй закон термодинамики. Конкретным примером может служить некий процесс диффузионного взаимодействия растворённых в воде химических веществ красного и синего цвета. Илл. 28.1 демонстрирует диффузионное разрушение крупных структур из двух химических веществ. Структуры со временем «расплываются» в сплошную зону смешанного цвета (цвет получившегося бесструктурного раствора зависит от преобладания вещества красного или синего цвета). Ещё быстрее «расплывается» хаотическая система небольших отклонений концентраций обоих веществ от среднего уровня – флуктуаций. Эта картина на илл. 28.2 наглядно демонстрирует, что в равновесной термодинамической системе флуктуации обречены на «рассасывание» и не могут положить начало образованию крупных структур.

 

В сериях иллюстраций 28, 29, 30 и 32 использованы стоп-кадры из интерактивного учебного фильма серии «Лаборатория синергетики», выпущенного Центром изучения сложных систем СИП РИА в 2004 г. (Диск 1).